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2124铝合金的均匀化热处理

来源期刊:中国有色金属学报2010年第2期

论文作者:李成侣 潘清林 刘晓艳 何运斌 李文斌

文章页码:209 - 216

关键词:2124铝合金;均匀化处理;显微组织;动力学;

Key words:2124 aluminum alloy; homogenization treatment; microstructure; kinetics

摘    要:采用光学显微镜、差热分析、扫描电镜、能谱分析、透射电镜和X射线衍射研究2124铝合金铸态与均匀化态的显微组织演化和成分分布。结果表明:2124铝合金的铸态组织枝晶偏析严重,在晶界存在很多低熔点共晶相,合金中元素Cu,Mg和Mn在晶内及晶界分布不均匀;经过均匀化处理后,2124铝合金组织中的非平衡相逐渐溶解,各组元分布趋于均匀;该合金的过烧温度为504 ℃,最佳均匀化制度为(490 ℃,24 h),该制度与均匀化动力学方程得到的结论基本一致。

Abstract: The evolution of the microstructure and the composition distribution of as-cast and homogenized 2124 aluminum alloy were studied by optical microscopy (OM), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray diffractometry (EDX), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffractometry (XRD). The results show that serious dendrite segregation exists in the 2124 alloy ingot, and many eutectic phases with low melting-point exist in the grain boundary. Cu, Mg and Mn elements distribute unevenly from the grain boundary to inside of the alloy. The non-equilibrium eutectic phases dissolve after homogenization, and the grain boundary becomes sparse and all elements become more homogenized. The over-burnt temperature is 504 ℃. And the proper homogenizing process of the 2124 alloy is (490 ℃, 24 h), which is corresponding with the results of homogenizing kinetic equation.

基金信息:国防科技资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)02-0209-08

2124铝合金的均匀化热处理

李成侣,潘清林,刘晓艳,何运斌,李文斌

 (中南大学 材料科学与工程学院,长沙 411083)

摘要:采用光学显微镜、差热分析、扫描电镜、能谱分析、透射电镜和X射线衍射研究2124铝合金铸态与均匀化态的显微组织演化和成分分布。结果表明:2124铝合金的铸态组织枝晶偏析严重,在晶界存在很多低熔点共晶相,合金中元素Cu,Mg和Mn在晶内及晶界分布不均匀;经过均匀化处理后,2124铝合金组织中的非平衡相逐渐溶解,各组元分布趋于均匀;该合金的过烧温度为504,最佳均匀化制度为(490 ℃,24 h),该制度与均匀化动力学方程得到的结论基本一致。

关键词:2124铝合金;均匀化处理;显微组织;动力学

中图分类号:TG 113.12       文献标识码:A

Homogenizing heat treatment of 2124 aluminum alloy

LI Cheng-lü, PAN Qing-lin, LIU Xiao-yan, HE Yun-bin, LI Wen-bin

 (School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The evolution of the microstructure and the composition distribution of as-cast and homogenized 2124 aluminum alloy were studied by optical microscopy (OM), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray diffractometry (EDX), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffractometry (XRD). The results show that serious dendrite segregation exists in the 2124 alloy ingot, and many eutectic phases with low melting-point exist in the grain boundary. Cu, Mg and Mn elements distribute unevenly from the grain boundary to inside of the alloy. The non-equilibrium eutectic phases dissolve after homogenization, and the grain boundary becomes sparse and all elements become more homogenized. The over-burnt temperature is 504 ℃. And the proper homogenizing process of the 2124 alloy is (490 ℃, 24 h), which is corresponding with the results of homogenizing kinetic equation.

Key words: 2124 aluminum alloy; homogenization treatment; microstructure; kinetics

                    

2124铝合金是Al-Cu-Mg 系高强高韧铝合金[1],该合金具有优良的压力加工和机械加工性能,合金厚板的伸长率和断裂韧度都优于常规的2024合金厚板,通常以厚板T351和T851状态使用,广泛应用于航天航空材料[2]。众所周知,金属和合金在凝固时都存在枝晶偏析[3?6],在晶界和晶内各组元分布不均匀,必须通过均匀化处理消除或降低晶体内化学成分和组织的不均匀性[7?10]。均匀化处理能促进合金中低熔点共晶相溶解,使合金铸锭化学成分分布趋于均匀,组织达到或接近平衡状态,改善合金中第二相的形状和分布,提高合金的塑性,并提高合金元素在基体中的固溶度,从而提高合金的强度,最终改善合金的加工性能和最终使用性能 [11?13]

近年来,国内外主要研究2124铝合金的断裂行为和析出相[14?15],梁忠华[16]研究2124铝合金的铸态组织,并提出该合金的最佳热处理制度。王昌臻等[17?18]研究热处理对2124铝合金热轧厚板组织与性能的影响。本文作者研究2124铝合金铸态和均匀化处理后的显微组织和成分变化,得出最佳均匀化工艺,并导出均匀化动力学方程,对于优化2124铝合金均匀化工艺,指导实际生产具有重要意义。

1  实验

1.1  合金铸锭

实验所用合金铸锭为东北轻合金有限责任公司提供。铸锭尺寸为85 mm×300 mm×500 mm,合金的化学成分如表1所列。

表1  实验合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of 2124 alloy (mass fraction, %)

1.2  实验方法

1) 取样与均匀化处理。将合金铸锭采用线切割成12 mm×12 mm×15 mm的小块试样,分别在460、475、490、500、510和520 ℃下进行均匀化处理,处理时间为24 h。在选定的最佳均匀化温度下分别处理12、24、48和72 h。均匀化处理所用设备为程序控温SX2-8-10箱式电阻炉,温度误差±2 ℃。

2) 微观组织观察。分别采用POLYVER-MET金相显微镜和飞利浦Sirion200场发射扫描电镜观察铸锭枝晶组织、定性观测枝晶网络溶解程度和残留相的大小、数量和分布特征,金相试样采用Kellers试剂腐蚀,采用面扫描和线扫描分析晶界和晶内的化学成分分布;合金中的第二相分别采用飞利浦Tecnai-G220透射电镜和日本理学G/max 2500 X射线衍射仪进行观察与分析。第二相组成分析采用Sirion200扫描电镜上配套的EDX设备进行;DSC分析在SDT-Q600热分析仪上进行。

2  结果与分析

2.1  铸态合金组织及分析

图1所示为铸态2124合金的微观组织。从图1(a)中可以看出,铸态组织由少量树枝状α(Al)和枝晶间低熔点共晶组成,基体α(Al)呈等轴状。由图1(b)可以看出,在晶界处存在粗大的未溶第二相。这些相大部分呈灰色,还有小部分颜色较亮的非平衡相。经EDX能谱分析(见表2)可知,该平衡相主要为Al2CuMg和溶解了Mn的Al2Cu相。

图1  铸态2124合金的微观组织

Fig.1  Microstructures of as-cast 2124 alloy

表2  图1中第二相的化学成分

Table 2 Chemical compositions of secondary phases shown in Fig.1(mole fraction, %)

图2所示为铸态合金的SEM像与合金中主要合金元素Cu、Mg、Mn在晶内及晶界的面扫描分布。从图2可以看出,合金中主要元素Cu和Mg在晶界存在不同程度的富集现象,其成分偏析程度由大到小的顺序依次为Cu、Mg、Mn,元素含量由晶界向晶内逐渐降低。

图2  铸态2124合金的SEM像及元素面扫描分布

Fig.2  SEM image and elements mapping distribution of as-cast 2124 alloy: (a) Microstructure; (b) Cu; (c) Mg; (d) Mn

由以上实验结果可知,2124铸态合金中存在严重的元素偏析,必须对其进行均匀化处理。均匀化退火是基于原子的扩散运动,均匀化过程中,扩散系数与温度的关系可用Arrhenius方程表示如下

式中:D为与温度基本无关的系数;Q为扩散激活能;R为摩尔气体常数;T为绝对温度。从式(1)可以看出,温度越高,扩散系数越大,原子扩散速度越快,偏析越容易消除。因此,为了加速均匀化过程,应尽可能提高均匀化温度。然而,为了防止合金过烧,必须先确定合金的过烧温度。

2.2  铸态合金的DSC分析

图3所示为2124合金铸态的DSC曲线。由图3可知,铸锭在504.0和639.6 ℃处出现吸热峰。其中,639.6 ℃是合金的熔点;504.0 ℃是该合金组织中非平衡低熔点共晶相的熔化温度。由此可以确定该合金铸锭的均匀化温度不能超过504.0 ℃。

图3  铸态2124合金的DSC曲线

Fig.3  DSC curves of as-cast 2124 alloy

2.3  均匀化态合金的组织及分析

2.3.1  不同均匀化处理温度的组织

图4所示为合金在不同均匀化温度下进行均匀化的金相组织。从图4可以看出,随着均匀化温度的升高,合金组织中的非平衡低熔点共晶相逐渐溶解,晶界变得稀疏,并且晶界上的残留相由连续分布转变为不连续分布。经490~500 ℃ 保温24 h均匀化处理后,合金中的枝晶网络变稀,非溶相和枝晶偏析基本消除;当均匀化温度进一步升高到510 ℃时,合金中开始出现三角晶界和少量复熔球,出现轻微的过烧组织;合金经520 ℃均匀化后,出现大量晶界复熔物和三角晶界,合金处于严重过烧状态。因此,该合金适宜的均匀化温度为490~500 ℃。但考虑到工业生产中的各种影响因素(大尺寸铸锭和炉温波动等),在满足合金性能要求的前提下,建议合金均匀化温度为490~495 ℃。

图4  2124合金在不同温度均匀化处理后的金相组织

Fig.4  Optical microstructures of 2124 alloy homogenized at different temperatures: (a) 460 ℃; (b) 475 ℃; (c) 490 ℃; (d) 500 ℃; (e) 510 ℃; (f) 520 ℃

2.3.2  不同均匀化处理时间的组织

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